Horizontalspaltprozess

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus

Carbonfaservlies durch Horizontalspalten von Rollenware aus Carbonfaservlies in der Probendicke sowie Verwendungen des hergestellten Materials.

Horizontal bedeutet waagerecht. Spalten ist ein Fertigungsverfahren zum Zerteilen eines Werkstücks mittels eines keilförmigen Werkzeugs.

Rollenform, beziehungsweise Rollenware bedeutet, dass ein textiles Flächengebilde aufgerollt wird, beziehungsweise aufgerollt vorliegt. Dabei kann es sich um einen Filz mit einer Länge von 20 bis 70 m und einer Breite von 1 ,2 bis 1 ,5 m handeln, der auf eine Papphülse von etwa 10 cm Breite aufgerollt wird.

Bei Carbonfaservliesen sind Dicken von etwa 2 mm bis 20 mm verfügbar, anwendbar für Ofenisolation oder als poröse Elektroden in speziellen Batteriesystemen. Herstellbar sind diese Anwendungen über mehrstufige Temperaturprozesse bei 600 bis 3000°C. Diese hohe Temperatur ist erforderlich, um bestimmte Eigenschaften wie eine hohe Reinheit oder einen niedrigen elektrischen Widerstand einzustellen. Die am Ende des Herstellungsprozesses durchgeführte Hochtemperaturbehandlung kann

diskontinuierlich in Batch-Öfen erfolgen, was aus Kostengründen allerdings möglichst vermieden werden sollte. Der abschließende Temperaturschritt erfolgt daher in der Regel kontinuierlich, wobei das Material hierbei in der Regel durch die Anlage gezogen wird. Hochtemperaturbehandlung im Sinne der Erfindung bedeutet Behandlung von Material im Temperaturbereich von 1800 bis 3000°C.

Aufgrund der auftretenden Zugkräfte ist das prozesstechnisch relevantere

kontinuierliche Verfahren auf eine Mindestmaterialstärke limitiert, was eine Fertigung von sehr dünnen Materialien, zum Beispiel kleiner 2 mm in der Dicke, in diesem

Prozess sehr schwierig macht..

Eine Konfektionierung der fertigen Carbonfaservliesrollen findet lediglich flächig statt. Die Stärke der Materialien ergibt sich ausschließlich aus der Dicke des Rohmaterials, eine nachträgliche Konfektionierung hinsichtlich Reduzierung der Dicke ist nicht möglich.

Sehr nachteilig an diesem Stand der Technik ist die Limitierung bezüglich der kontinuierlich bearbeitbaren Materialdicken. Die Herstellung von sehr dünnen Filzen ist derzeit nur in Batch-Prozessen möglich. Dies führt zu einer begrenzten Flexibilität, da hinsichtlich Dicke die Geometrie des Rohmaterials die Endgeometrie vorgibt. Eine Konfektionierung ist in einer industriellen Fertigung bei einer Nutzung von Rollenware als Halbzeug nur flächig möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von dünnen

Carbonfaservliesen im industriellen Maßstab. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus Carbonfaservlies, wobei ein Carbonfaservlies als Ausgangsmaterial einem

Horizontalspaltprozess in der Probendicke unterzogen wird, wobei das Carbonfaservlies relativ zu einer Messerkonstruktion bewegt wird, um eine Schicht oder nacheinander mehrere Schichten von dem Carbonfaserflies abzuspalten, und bei dem die eine Schicht oder die mehreren Schichten nach dem Abspalten von dem Carbonfaservlies kontinuierlich entfernt wird bzw. werden. Damit ist es möglich, dünne Carbonfaservliese in der industriellen Fertigung kostengünstig herstellen zu können.

Horizontalspalten wird in der Kunststoffverarbeitung (Weichschäume, siehe DE 10 2010 004 205 A1 oder Gummi), in der Lederherstellung (Spaltleder, siehe DE 44 12 432 A1 oder DE 195 06 370 C2), als auch in der Herstellung und Verarbeitung von Vliesstoffen und Wollfilz (siehe DE 3835007 A1 ) verwendet. Für Carbonfaservliese, auch als Weichfilze bezeichnet, und ähnliche Materialien wird im Stand der Technik kein

Spaltprozess verwendet.

Die spezifischen Eigenschaften des ursprünglichen Carbonfaservlieses (mechanisch, thermisch und elektrisch) bleiben weitestgehend unbeeinträchtigt.

Probendicke ist die Dicke einer Probe. Synonym für Probe ist Exemplar. Dicke ist der normgerechte Ausdruck (DIN 6730) für das Maß zwischen sich gegenüberliegenden Oberflächen. Ein Carbonfaserflies stellt ein flächiges Gebilde dar. Die Probendicke ist damit das Maß zwischen den beiden Oberflächen (bei horizontaler Lage: Oberseite und Unterseite) desjenigen flächigen Gebildes, das dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wird. Das Horizontalspalten bezeichnet daher das Spalten eines flächigen Gebildes in seiner gesamten Fläche zwischen seinen Oberflächen, sodass zwei flächige Gebilde erhalten werden, von welchen jedes flächenmäßig gleich groß ist wie das ursprüngliche Flächengebilde.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können, auch aus einem einzigen dicken textilen Halbzeug, überraschend mehrere dünne flexible Weichfilze aus Carbonfasern herausgeschnitten werden, was sowohl die Prozesseffizienz massiv erhöht, als auch die kontinuierliche Herstellung von dünnen, Hochtemperatur-behandelten Vliesen überhaupt erst ermöglicht.

Bevorzugt werden die eingesetzten Carbonfaservliese durch Vernadelung oder durch Wasserstrahlverfestigung hergestellt. Bei der Vernadelung werden kardierte Faserflore mechanisch verfestigt, wobei metallische Nadeln mit Widerhaken Fasern durch das Material ziehen. Bei Wasserstrahlverfestigung wird nicht mit Nadeln, sondern mit einem starken Wasserstrahl gearbeitet.

Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Carbonfaservlieses 3-50 mm beträgt und die Dicke einer abgespaltenen Schicht mindestens 0,2 mm beträgt. Es ist von besonderem Vorteil, dass dünne Carbonfaservliese kontinuierlich hergestellt werden können und dicke Carbonfaservliese als Halbzeug nutzbar sind. Ein dünnes Carbonfaservliese im Sinne dieser Erfindung ist beispielsweise eine abgespaltene Schicht mit einer Dicke von 0,2 mm bis 2 mm.

Es ist bevorzugt, dass das Carbonfaservlies auf Viskose, Polyacrylnitril (PAN), Pech oder Lignin basiert. Auch andere Vliesstoffe sind möglich, wobei Materialien aus allen derzeit verfügbaren Kohlenstofffasern aus verschiedenen Kohlenstoffquellen eingeschlossen werden können. Damit besteht eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Faserrohstoffs.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Messerkonstruktion um fräserartige

Schneidwerkzeuge, um Bandmesser, um Doppelbandmesser mit zwei

aneinanderliegenden, jeweils einseitig angeschliffenen Einzelbandmessern oder um starre, linealartige Spaltmesser mit oszillierendem Antrieb. Die Messer der

erfindungsgemäßen Messerkonstruktion können besonders bevorzugt kontinuierlich oder bevorzugt in Intervallen geschliffen und automatisch nachgestellt werden, um die horizontale Position konstant zu halten. Der Schleifstaub wird dabei abgesaugt. Eine weitere Absaugung unterhalb der Walzen sorgt dafür, dass die untere Lage inklusive dem anfallenden Abtrag sauber entfernt wird.

Vorzugsweise erfolgt das Abspalten und Entfernen von einer Schicht oder mehrerer Schichten gleichmäßig und mit konstanter Zugkraft. Dabei können selbst dünne Schichten von deutlich weniger als 5 mm Dicke kontrolliert und sicher abgeführt werden.

Zugkraft ist eine Kraft, die einen mechanischen Körper zieht, also am Körper auf den Krafterzeuger hin wirkt.. Bei einer erfindungsgemäßen Anlage kann ein mechanischer Aufwickler eine Geschwindigkeit an der Anlage einstellen, wobei Filz von der Anlage abgezogen wird. Die Zugkraft kann in diesem Fall kleiner ein Kilonewton betragen. Die beiden Spaltfilze (Fig. 1 ) werden bevorzugt mit kontrolliert identischer Kraft abgezogen, was zu einem stabilen Spannungszustand und gleichbleibenden Dicken führt. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schicht aus Carbonfaservlies. Wie eingangs beschrieben, werden dünne Carbonfaservliese nach bekannten Verfahren originär hergestellt, das heißt die entsprechende Vliesbildungsmaschine liefert gleich das Vlies in der gewünschten Dicke. Die Oberfläche dieser originär hergestellten Schichten ist dabei, bedingt durch den textilen Herstellprozess, nicht völlig gleichmäßig und weist

Unebenheiten auf. Die Oberfläche der erfindungsgemäß hergestellten Schicht aus Carbonfaservlies ist durch das exakte Spalten mit einem scharfen Bandmesser jedoch deutlich gleichmäßiger und ebener. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist, dass durch den Schneidvorgang eine Häufung an endständigen Carbonfasern an der Oberfläche der Vliesschicht vorliegt. Erfindungsgemäß gespaltene und originär hergestellte dünne Carbonfaservliese sind daher allein optisch, also durch Betrachten, voneinander unterscheidbar.

Die Verwendung der einen oder mehreren Schichten aus Carbonfaservlies, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, erfolgt bevorzugt als Elektrodenmaterial für Batterieanwendungen, Hochtemperatur-Batterien, Redox-Flow-Batterien oder

Hochtemperatur-Isolationsmaterial. Damit ist eine vielseitige Einsetzbarkeit gegeben. Da gerade die Energiespeichertechnologien unter einem hohen Preisdruck stehen, ist das wirtschaftliche erfindungsgemäße Verfahren für erneuerbare Energien von großem Vorteil.

Weiter bevorzugt erfolgt die Verwendung der einen oder mehreren Schichten aus Carbonfaservlies hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für

Gasdiffusionsschichten (GDL) in Brennstoffzellen. Beispiele für verwendete GDL Materialen sind ein 3D-Vlies oder ein 2D-Papier. Da das erfindungsgemäße Verfahren auch bei diesen sehr dünnen Materialien anwendbar ist, ist ein noch breiteres

Technologiespektrum gegeben. In Figur 1 ist dargestellt, wie ein erfindungsgemäßer Carbonfaservlies-Körper (1 ) mit einem umlaufenden Bandmesser (4) in zwei Hälften gespalten und über

Transportwalzen (3) zu Rollenware verarbeitet wird. Natürlich ist neben diesem symmetrischen Spaltvorgang auch ein asymmetrischer Spaltvorgang technisch möglich. Da kontinuierliches Schleifen möglich ist, kann eine kontinuierliche Bearbeitung erfolgen, was zu einem konstant guten Schnittbild führt.

Mit Hilfe des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert:

Ein 6 mm dicker Carbonfaserfilz auf Viskosebasis wird in zwei 3 mm dicke Hälften gespalten. Die Dicke der gespaltenen Rollen wird durch die vertikalen Positionen der Vorschubwalzen bestimmt, die das Material durch die Maschine fördern. Für ein symmetrisches Spaltergebnis sind für die obere und die untere Walze identische Einstellungen zu treffen.

Da das Material leicht komprimiert werden muss, um einen Transport sicherzustellen, ist der Spalt etwas kleiner einzustellen als die Hälfte der Ausgangsdichte. Bei dem Carbonfaserfilz wird eine Kompression von 10% verwendet, da bei diesem Wert noch keine Materialschädigung auftritt. Dadurch betragen der obere und der untere Versatz der Transportwalzen 2,7 mm.

Die Vorschubgeschwindigkeit der Anlage beträgt 8 m/min, die Rotationsgeschwindigkeit des Bandmessers 5 m/s. Das Bandmesser wird kontinuierlich geschliffen, um ein sauberes Schnittbild sicherzustellen. Das Ergebnis sind zwei Rollen Spaltfilz. Die gespaltene Oberfläche ist überraschend gut (optisch glatt und gleichmäßig). In Dickenrichtung ist ein spezifischer elektrischer Widerstand messbar.

Eine Absaugeinrichtung über die gesamte Filzbreite sorgt für weitestgehende Staubund Partikelfreiheit des gespaltenen Produkts.

Gemessene Eigenschaftswerte (Prüfung von Kohlenstoffmaterialien) der gespaltenen Kohlenstofffaserfilze auf PAN- bzw. Viskosebasis:

Bestimmung des Aschewertes (Feststoffe)

Aschewert in Anlehnung an DIN 51903 (bei 580°C):

<0,05% (PAN-basiert);

<0,1 % (Viskose-basiert)

Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstands nach dem Strom- Spannungsverfahren (Feststoffe)

ER (x/y) in Anlehnung an DIN 5191 1 (senkrecht zur Filzebene):

< 5 Qmm (PAN-basiert);

< 12 Qmm (Viskose-basiert) Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstands nach dem Strom- Spannungsverfahren (Feststoffe)

ER (z) in Anlehnung an DIN 5191 1 (in Filzebene):

< 2 Qmm (PAN-basiert);

< 4 Qmm (Viskose-basiert)

Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur nach dem Vergleichsverfahren (Feststoffe) WLF gemäß DIN 51908 (senkrecht zur Filzebene):

0,1 - 0,4 W/mK (PAN-basiert);

0,02-0,1 W/mK (Viskose-basiert).

Legende zu Figur 1

1. Carbonfaservlies-Körper

2. abgespaltene Schicht

3. Umlenkwalze

4. Transportwalze